振动波形调控揭示流化床中颗粒对流的关键能量参数

本研究通过离散元法(DEM)模拟和实验验证，揭示了振动波形能量参数ε（整合速度与加速度特征）对颗粒对流速率的决定性作用。作者创新性地采用几何参数（下落/上升时间比rt和振幅比ra）调控波形，发现ε与示踪粒子上升速度v呈线性关系，为振动流化床（fluidized beds）的能量调控提供了新范式。

　　

亮点聚焦

当垂直机械振动作用于颗粒床层时，系统会呈现类似流体的对流现象——颗粒沿中心上升、沿器壁下沉。这种被称为"颗粒对流"的现象，在生物系统、微重力环境、声学材料设计等领域具有重要应用价值。

离散元法(DEM)模拟

采用ABAQUS软件构建DEM模型，将颗粒处理为PD3D单元，容器则通过有限元法(FEM)设为刚体。颗粒间相互作用遵循Hertz-Mindlin模型，同时考虑法向和切向的弹性力与阻尼力。颗粒-容器接触采用刚性硬接触模型，法向弹性力通过非线性弹簧模拟，切向摩擦则用库仑摩擦定律描述。

均质密度系统研究

首个案例研究了密度均一（1200 kg/m^?3）的颗粒系统。配置9 mm示踪粒子（intruder）与3 mm本底粒子（native particles），形成3:1的粒径比——该比例已知能显著增强对流分离效应。通过精确控制振动波形参数，揭示了能量参数ε与示踪粒子上升速度v的线性关联规律。

结论启示

本研究突破性地发现：振动波形能量参数ε（整合速度与加速度特征）是调控颗粒对流的核心变量。DEM模拟与PVC颗粒实验共同验证，ε与示踪粒子上升速度v存在普适性线性关系，为开发节能型颗粒输运技术提供了全新理论框架。